前言
PREFACE

2013年夏，在一個和上汽大眾（彼時還是“上海大眾”）的技術(shù)人員探討數(shù)字化工廠應(yīng)用發(fā)展的內(nèi)部會議上，第一次聽到了西門子提出的“數(shù)字化雙胞胎”的概念。德國大眾對數(shù)字化工廠規(guī)劃技術(shù)的應(yīng)用十分重視，在2009年前后就提出所有新車型在被真正制造前需要在數(shù)字化工廠中經(jīng)過驗證。數(shù)字化工廠通過構(gòu)建虛擬生產(chǎn)線，對產(chǎn)品進(jìn)行可制造性分析，并且對工廠規(guī)劃方案進(jìn)行驗證。數(shù)字化工廠技術(shù)廣泛應(yīng)用后，工廠數(shù)字模型如何繼續(xù)利用好并且發(fā)揮更大的作用，一個思路就是“數(shù)字化雙胞胎”，現(xiàn)在更廣泛的叫法是“數(shù)字孿生”。

以“數(shù)字孿生”為名在國內(nèi)公開發(fā)表的第一個成果是在2014年。而在2016年年底，世界著名咨詢公司Gartner將數(shù)字孿生列入2017年十大戰(zhàn)略性科技之一，數(shù)字孿生的概念開始在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界得到重視并加以應(yīng)用。

產(chǎn)品孿生的概念，最早于20世紀(jì)60年代由美國國家航空航天局（NASA）提出，當(dāng)時的概念是發(fā)射到太空中的飛行器，地面需要有一個“物理孿生”，以便模擬各類指令的操作，保障太空飛行器各類動作的正確性和安全性。這個思想沿用至今。2021年4月29日，我國發(fā)射的天和核心艙，在地面上有一模一樣的裝備同步運行，它被形象地稱作“地面空間站”，地面工作站通過接收在軌的遙測數(shù)據(jù)，可以設(shè)置成與天上一樣的飛行狀態(tài)，來驗證整個飛行程序和操作指令。

當(dāng)這個產(chǎn)品孿生在數(shù)字空間存在時，就是“數(shù)字孿生”。數(shù)字孿生以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多學(xué)科耦合仿真等方法，完成現(xiàn)實世界中的物理實體到虛擬世界中的鏡像數(shù)字化模型的精準(zhǔn)映射，并充分利用兩者的雙向交互反饋、迭代運行，以達(dá)到物理實體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步呈現(xiàn)，通過鏡像化數(shù)字化模型的診斷、分析和預(yù)測，進(jìn)而優(yōu)化實體對象在其全生命周期中的決策、控制行為，最終實現(xiàn)實體與數(shù)字模型的共享智慧與協(xié)同發(fā)展。

數(shù)據(jù)和模型，是數(shù)字孿生系統(tǒng)的兩個基本面。數(shù)據(jù)代表了物理實體，是從物理實體運行過程采集而來，代表實際；模型代表虛擬，是從數(shù)字模型分析、仿真而來，虛實融合就是模型和數(shù)據(jù)的融合。基于數(shù)字孿生的智能化應(yīng)用，可以從模型和數(shù)據(jù)相結(jié)合的優(yōu)化來考慮。傳統(tǒng)的基于模型的或者基于知識的優(yōu)化，在面向復(fù)雜大系統(tǒng)或者巨系統(tǒng)的情況時，可能會遇到效率不高、難以實現(xiàn)等問題；而單純基于數(shù)據(jù)的優(yōu)化，在工業(yè)、建筑業(yè)等已經(jīng)擁有大量機理模型和物理、化學(xué)等演變規(guī)律知識的學(xué)科與行業(yè)中，往往事倍功半，容易在數(shù)據(jù)中迷失方向。數(shù)字孿生的優(yōu)勢，在于基于模型和知識，結(jié)合實際系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)，融合后進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮模型和數(shù)據(jù)各自的優(yōu)勢。人工智能先驅(qū)，圖靈獎獲得者Judea Pearl指出，基于統(tǒng)計的、無模型的機器學(xué)習(xí)方法存在嚴(yán)重的理論局限，難以用于推理和回溯，難以作為強人工智能的基礎(chǔ)。實現(xiàn)類人智能和強人工智能需要在機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中加入“實際模型的導(dǎo)引”。因此，脫離機理模型的大數(shù)據(jù)分析不適合復(fù)雜工業(yè)環(huán)境，需要兩者結(jié)合，才能實現(xiàn)有效的應(yīng)用。

從孿生對象的組成來說，數(shù)字孿生的應(yīng)用可以分成產(chǎn)品數(shù)字孿生和系統(tǒng)數(shù)字孿生。

產(chǎn)品是生產(chǎn)活動的結(jié)果，是滿足特定需求的物品或服務(wù)。產(chǎn)品數(shù)字孿生，就是在信息空間構(gòu)建了產(chǎn)品的數(shù)字孿生體，對于物理產(chǎn)品，一般包括產(chǎn)品的三維幾何模型及其相關(guān)的機理模型和數(shù)據(jù)模型；對于服務(wù)產(chǎn)品，一般包括活動過程模型及其相關(guān)的機理模型和數(shù)據(jù)模型。

系統(tǒng)是由相互作用、相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成的，具有特定功能和一定結(jié)構(gòu)的有機整體。一個系統(tǒng)可能是更大系統(tǒng)的組成部分。一個柔性加工單元、一條流水線、一個車間、一個工廠、一座城市都是一個系統(tǒng)，但是系統(tǒng)的復(fù)雜程度不一。

對于制造行業(yè)來說，產(chǎn)品數(shù)字孿生和生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生是既有區(qū)別又密切相關(guān)的兩類數(shù)字孿生。產(chǎn)品是生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)對象和生產(chǎn)結(jié)果，生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化運行可以影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和成本；同時，產(chǎn)品的設(shè)計需求又會對生產(chǎn)系統(tǒng)提出新的要求，促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷演化。因此，整個制造相關(guān)的不同數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)成了一個制造數(shù)字孿生生態(tài)。

從產(chǎn)品到工廠，由于對象復(fù)雜程度不同，涉及的要素不同，其數(shù)字孿生系統(tǒng)的組成、實施方案、實施難度也不同。相比工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)和建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)，更加復(fù)雜的是城市數(shù)字孿生系統(tǒng)。城市運行系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建，不同于產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)和工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)，需要更加注重數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)庫的建設(shè)，通過不斷豐富數(shù)字孿生服務(wù)功能，滿足多領(lǐng)域、多業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用需求。

數(shù)字孿生常常與智能制造、人工智能、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等熱點技術(shù)名詞聯(lián)系在一起，而其中一個最為接近的名詞是信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）。數(shù)字孿生為實現(xiàn)CPS的融合提供了有效途徑和方法，實現(xiàn)CPS的融合是數(shù)字孿生的目標(biāo)與核心挑戰(zhàn)之一。而CPS理念也為數(shù)字孿生的建設(shè)提供了指導(dǎo)，不同的CPS單元、CPS系統(tǒng)也為數(shù)字孿生系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

近幾年，數(shù)字孿生正從概念階段走向?qū)嶋H應(yīng)用階段，驅(qū)動制造業(yè)、建造業(yè)等實體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入數(shù)字化和智能化時代。隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的提升以及政策的持續(xù)支持，數(shù)字孿生將會出現(xiàn)更深入的應(yīng)用場景，為實體經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來新的動力。

數(shù)字孿生是一個“系統(tǒng)”技術(shù)，也就是說，要實現(xiàn)的數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，包括多方面技術(shù)的綜合。這也導(dǎo)致了不同的技術(shù)專家、不同的公司對數(shù)字孿生的理解和解讀不同。數(shù)字孿生是什么？它是如何產(chǎn)生和發(fā)展的？數(shù)字孿生能解決什么問題？數(shù)字孿生如何構(gòu)建？本書用7章內(nèi)容來進(jìn)行說明。第1章介紹數(shù)字孿生的發(fā)展背景；第2章介紹數(shù)字孿生的相關(guān)技術(shù)，以及一個通用的數(shù)字孿生實現(xiàn)框架；第3章介紹智能制造領(lǐng)域的數(shù)字孿生生態(tài)，分析了組成數(shù)字孿生生態(tài)的產(chǎn)品數(shù)字孿生、生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生和供應(yīng)鏈數(shù)字孿生之間的關(guān)系；第4章介紹生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生，也就是數(shù)字孿生工廠的實現(xiàn)方法；第5章介紹智能建造以及智慧城市的數(shù)字孿生應(yīng)用；第6章介紹基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型智能化方法，作為數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能化應(yīng)用參考；第7章以Unity平臺為例，介紹生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的具體開發(fā)方法和應(yīng)用案例。

本書介紹了數(shù)字孿生的基本組成、應(yīng)用框架以及典型開發(fā)方法，可以為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員在實際工作中提供參考，也可以作為智能制造、人工智能、智能建造相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教材。

本書撰寫工作由同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心的陸劍峰副教授、張浩教授、趙榮泳副教授合作完成。另外，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的博士研究生夏路遙、韓調(diào)娟和碩士研究生李兆佳、徐夢霞等，以及企業(yè)數(shù)字化技術(shù)教育部工程研究中心的孫久文工程師，都為本書的成稿做出了貢獻(xiàn)。

本書的出版得到依托同濟(jì)大學(xué)的企業(yè)數(shù)字化技術(shù)教育部工程研究中心的資助。本書部分研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大項目“互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)環(huán)境下面向高端裝備制造的智能工廠運營優(yōu)化”（項目編號：71690230/71690234）、政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項“基于3D實時位置信息的智能工廠物流優(yōu)化與碰撞規(guī)避技術(shù)研究”（項目編號：2017YFE0100900）支持。部分方法也來自國家自然科學(xué)基金“含雙向充電樁的新能源微電網(wǎng)運行機制建模及優(yōu)化策略”（項目編號：71871160）、工業(yè)和信息化部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項、上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會人工智能創(chuàng)新發(fā)展專項等項目的研究成果。本書在出版過程中得到機械工業(yè)出版社付承桂編輯的大力幫助，在此表示感謝。

數(shù)字孿生的實施和應(yīng)用是一個包括多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)集成的系統(tǒng)工程，不同技術(shù)人員會有不同的方法與解決方案；數(shù)字孿生所依托的信息技術(shù)和人工智能技術(shù)也在不斷發(fā)展，因此其相關(guān)概念也在不斷發(fā)展中。由于作者水平有限，難免存在不足、片面甚至錯誤之處，懇請廣大讀者給予批評指正。

作者